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EINLEITUNG
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Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Wechselstrommotor mit einem Stator mit Zähnen, die Nuten für Haupt- und Hilfswicklungen bilden. Die Hauptwicklung ist verbindbar mit einer Energieversorgung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes mit einer magnetischen Hauptachse, und die Hilfswicklung ist verbindbar mit einer Energieversorgung über einen Laufkondensator zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes mit einer magnetischen Hilfsachse, wobei eine an der magnetischen Hilfsachse angeordnete Gruppe von Zähnen eine größere magnetische Leitfähigkeit hat als die anderen Zähne.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Motor der oben erwähnten Art ist z.B. ein normaler Induktionsmotor für einen Verdichter, oder der Motor kann ein Line-Start-Motor sein. Ein Laufkondensator liefert eine 90 Grad Verzögerung zwischen der Spannung in der Hauptwicklung und der Spannung in der Hilfswicklung, damit die Magnetfelder der beiden Wicklungen zeitlich versetzt werden.
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Die von den Haupt- und Hilfswicklungen gelieferten Magnetfelder haben Richtungen, die von einer magnetischen Hauptachse und einer magnetischen Hilfsachse bestimmt sind, und die Anordnung der Magnetfelder wird von dem Layout der Wicklungen bestimmt.
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Durch Vektoraddition definieren die Haupt- und Hilfsachsen einen Phasenvektor, der ein sich ergebendes Magnetfeld darstellt, dessen Stärke im Wesentlichen konstant ist, wenn der Motor mit Nennlast betrieben wird.
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Um ein gutes Stärke-Gewicht-Verhältnis und damit eine gute Leistung des Motors zu erzielen, sind Statoren entwickelt worden, in denen die Nuten, die die Wicklungen aufnehmen, unterschiedliche Formen haben.
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GB 887 047 A zeigt Statornuten, die zwischen einer ersten radialen Achse der Öffnung, die durch eine Ecke der Statorbleche verläuft, und einer zweiten radialen Achse der Öffnung, die durch den Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Ecken verläuft, angeordnet sind, wobei die Statornuten so gebildet sind, dass, von der ersten Achse zur zweiten Achse, die Statorzahnteilung und -breite kontinuierlich ansteigen und der Nutenquerschnittbereich und die -tiefe kontinuierlich abnehmen. Die Grössenänderung der Nuten hängt somit von den Ecken des Stators ab.
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DE 100 29 549 A1 /
US 2003 / 0 178 906 A1 beschreibt die Theorie der Vektorrotation in bezug auf Motoren der beschriebenen Art (Oberbegriff) und diese Veröffentlichungen werden als Bestandteil dieser Beschreibung mit einbezogen.
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Der Motor wird immer für eine Nennlast konstruiert sein. Bei dieser Last wird die Größe des Feldes über eine gesamte Periode der Wechselspannung gleich sein, was bedeutet, dass die Magnetfelder der Haupt- und Hilfswicklungen zum magnetischen Drehfeld des Motors gleich viel beitragen, und das sich ergebende Magnetfeld hat eine konstante Stärke. Dies wird normalerweise Symmetrie des Motors genannt und diese Situation ist sehr wünschenswert.
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Wenn die Last von der Nennlast abweicht, wird der Beitrag aus der Hilfswicklung nicht dem der Hauptwicklung entsprechen und der Motor ist nicht mehr symmetrisch. Oft ist es deshalb wichtig, den Motor mit einer Last zu betreiben, die so nahe wie möglich an der Nennlast ist.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe von Ausführungen der Erfindung, einen Motor anzubieten, der mit einer verbesserten Leistung arbeiten kann, auch wenn sich die Last von der Nennlast unterscheidet.
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Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Motor der oben beschriebenen Art, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Auf Grund dieses Merkmals wird das Hilfsmagnetfeld von einer größeren magnetischen Leitfähigkeit stärker unterstützt als das Hauptmagnetfeld, und der Abschwächung des Feldes, die durch die Lieferung der Energie durch einen Laufkondensator verursacht werden kann, wird durch die größere magnetische Leitfähigkeit entgegengewirkt.
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Wenn die Last des Motors auf ein Niveau ansteigt, das über der Nennlast des Motors liegt, kann die Spannung in der Hilfswicklung reduziert werden, und gleichzeitig erfolgt wahrscheinlich eine unerwünschte Phasenverschiebung in der Hilfswicklung weg von der idealen Phasenverschiebung von 90 Grad. Der Grund dafür ist, dass die Hilfswicklung normalerweise über einen Kondensator versorgt wird, der die gewünschte, sehr nahe an 90 Grad liegende, Verschiebung der Hilfsphasenspannung in Bezug auf die Hauptphasenspannung liefert. Dies bedeutet, dass die Energieversorgung der Hilfsphase normalerweise schwächer ist als die Energieversorgung der Hauptwicklung. Um dies zu kompensieren, ist es besonders relevant die unterschiedlichen Zähne im Verhältnis zur magnetischen Hauptachse und im Verhältnis zur magnetischen Hilfsachse so anzuordnen, dass die best mögliche magnetische Leitfähigkeit an der magnetischen Hilfsachse erfolgt, wo die magnetische Kraft von der abgeschwächten Energieversorgung für die Hilfsphase am meisten beeinflusst wird.
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Nach der Erfindung werden Zähne von unterschiedlicher Größe, Form oder Materialeigenschaften in bezug auf die magnetischen Haupt- und Hilfsachsen spezifisch derart angeordnet, dass die unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit zur Beibehaltung eines symmetrischen Phasenvektors beiträgt, wenn sich die Last von der Nennlast unterscheidet.
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Auf diese Weise kann eine erhöhte Leistung des elektrischen Motors über einen großen Bereich des aufgebrachten Moments erzielt werden.
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In diesem Zusammenhang ist die magnetische Hauptachse eine Achse, die die Richtung des sich ergebenden Magnetfeldes abgeleitet von den Amperewindungen der Hauptwicklung definiert, und die magnetische Hilfsachse ist eine Achse, die die Richtung des sich ergebenden Magnetfeldes abgeleitet von den Amperewindungen der Hilfswicklung definiert. Dabei werden die Größe und die Richtung des sich ergebenden Magnetfeldes der Amperewindungen der Hauptwicklung durch einen Hauptphasenvektor dargestellt. In gleicher Weise werden die Größe und die Richtung des sich ergebenden Magnetfeldes der Amperewindungen der Hilfswicklung durch einen Hilfsphasenvektor dargestellt.
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Eine Vektoraddition des Hauptphasenvektors und des Hilfsphasenvektors ergibt einen Vektor, der im Folgenden „Statorphasenvektor“ genannt wird und die Größe und die Richtung des im Stator erzeugten, sich ergebenden Magnetfeldes definiert, d.h. das Magnetfeld, mit dem der Stator zum Drehen des Rotors beiträgt.
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Ein zusätzliches Magnetfeld wird von dem Rotor erzeugt, und der Motor an sich wird somit von einer Kombination von zwei verschiedenen Magnetfeldsystemen angetrieben, nämlich das vom Statorphasenvektor dargestellte Magnetfeldsystem und das vom Rotor erzeugte Magnetfeld.
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Hierbei muss beachtet werden, dass der Motor nach der Erfindung für eine Nennlast vorgesehen ist, und spezifisch bei dieser Nennlast ist es die Absicht, dass der Statorphasenvektor eine konstante Länge hat, die eine konstante magnetische Stärke darstellt.
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Nach der Erfindung werden unterschiedliche magnetische Leitfähigkeiten von Zähnen verwendet, um zur Beibehaltung einer konstanten magnetischen Stärke beizutragen, indem entweder der Hauptphasenvektor oder der Hilfsphasenvektor unterstützt wird, je nachdem welcher davon am schwächsten ist und dadurch am meisten von Lasten über und unter der Nennlast beeinflusst wird, d.h. über einen Laufkondensator mit Energie versorgt wird.
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Der Unterschied der magnetischen Leitfähigkeit wird dadurch erzielt, dass die Zähne mit unterschiedlichen Breiten ausgebildet werden, so dass mindestens einige der Zähne eine kleinere oder größere Breite als andere der Zähne aufweisen, oder so dass Gruppen von Zähnen mit je einer spezifischen Zahnbreite gebildet werden.
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Die Breite eines Zahns wird hier definiert als die Dimension des Zahnes, die senkrecht zu einer Achse ist, die sich von einer Mittellinie, um die sich der Rotor im Verhältnis zum Stator dreht, radial nach Außen erstreckt. Wenn die Zähne eine Breite haben, die sich entlang des Abstands vom Zentrum ändert, d.h. vom Boden der Nut in Richtung zum freien Ende des Zahns, wird vorausgesetzt dass die Zahnbreite die Breite des Zahnes an einem Punkt zwischen dem Boden der Nut und dem freien Ende des Zahns ist, d.h. an einer Stelle neben der in der Nut angeordneten Wicklung, oder alternativ wird vorausgesetzt, dass die Breite eine Durchschnittsbreite der vollen Länge des Zahnes ist, d.h. zwischen dem Boden der Nut und dem freien Ende des Zahns.
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Der Unterschied in der magnetischen Leitfähigkeit kann auch, zumindest teilweise, von einem Unterschied zwischen einem Gesamtvolumen der Zähne, die Nuten für die Hauptwicklung bilden, die die magnetische Achse für die Hilfsphase ist und einem Gesamtvolumen der Zähne, die Nuten für die Hilfswicklung bilden, die die magnetische Achse für die Hauptphase ist, verursacht werden.
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Der Unterschied in der magnetischen Leitfähigkeit kann auch, zumindest teilweise, von einem Unterschied zwischen einer Durchschnittsbreite der Zähne, die Nuten für die Hauptwicklung bilden und einer Durchschnittsbreite der Zähne, die Nuten für die Hilfswicklung bilden, verursacht werden. Die Durchschnittsbreite der Zähne, die Nuten für die Hauptwicklung bilden, kann z.B. in der Größenordnung 5-15 Prozent, 10-13 Prozent oder 11-12,5 Prozent von der Durchschnittsbreite der Zähne, die Nuten für die Hilfswicklung bilden, liegen.
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Die Zähne, die Nuten für die Hauptwicklung bilden, können in einem Bereich angeordnet sein, die im Folgenden „Hauptwicklungsbereich“ genannt wird. Dieser Bereich kann sich zwischen Haupt-End-Zähne an gegenüberliegenden Enden der Hauptwicklungszone erstrecken. Um den Unterschied in magnetischer Leitfähigkeit zu erzielen, können die Zähne entlang des Abstandes von den Haupt-End-Zähnen in Richtung der Mitte des Hauptwicklungsbereichs allmählich breiter werden, so dass Zähne in dem Hauptwicklungsbereich generell größer sind als Zähne außerhalb des Hauptwicklungsbereichs.
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Ein kleinster Zahn aus der Gruppe, die Nuten für die Hauptwicklung bildet, ist größer als der größte Zahn aus der Gruppe, die Nuten für die Hilfswicklung bildet.
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Der Unterschied in der magnetischen Leitfähigkeit kann auch, zumindest teilweise, von einem Unterschied zwischen Materialeigenschaften der Zähne, die Nuten für die Hauptwicklung bilden, und Materialeigenschaften der Zähne, die Nuten für die Hilfswicklung bilden, verursacht werden.
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Der Stator kann ein Joch am Umfang aller Nuten bilden, wobei das Joch einen Hauptjochteil, der an der Hauptwicklung angeordnet ist, und einen Hilfsjochteil, der an der Hilfswicklung angeordnet ist, aufweist, und wobei der Hauptjochteil eine niedrigere magnetische Leitfähigkeit aufbringt als der Hilfsjochteil. Der Hauptjochteil kann z.B. eine magnetische Leitfähigkeit im Bereich von 80-95 Prozent der magnetischen Leitfähigkeit des Hilfsjochteils haben bei gleicher Breite der Haupt- und Hilfsteile.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Querschnitt senkrecht zu einer Drehachse in einem Stator nach dem Stand der Technik;
- 2 den Stator und das Magnetfeld in einer nicht idealen Lastsituation; und
- 3 einen Querschnitt senkrecht zu einer Drehachse eines Stators nach der Erfindung.
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1 zeigt eine Statorplatte 1 zur Verwendung als Stator in einem Einphasen-Wechselstrommotor. Die Statorplatte hat eine Form, die, wenn gestapelt in einem Stapel von identischen Platten, eine Anzahl von Nuten 2 für Wicklungen bildet. Die Nuten sind durch Zähne 3 getrennt (nur einmal in 1 gezeigt).
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Die Hauptwicklung 4 wird in zwei von den Nuten schematisch gezeigt, und die Hilfswicklung 5 wird in zwei anderen Nuten schematisch gezeigt. In der endgültigen Konstruktion werden auch die anderen Nuten eine Wicklung haben, der Einfachheit halber zeigt die Figur lediglich acht Nuten mit Wicklungen.
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Die Hauptwicklung wird typischerweise direkt mit der Energieversorgung verbunden (nicht gezeigt) und die Hilfswicklung wird typischerweise über einen Laufkondensator, der für die Phasenverschiebung sorgt, mit der Energieversorgung verbunden.
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Wenn die Hauptwicklung mit der Energieversorgung verbunden ist, erzeugt sie ein Hauptmagnetfeld mit einer magnetischen Hauptachse, wie gezeigt durch den Vektor 6.
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Wenn die Hilfswicklung über den Laufkondensator mit der Energieversorgung verbunden ist, erzeugt sie ein Hilfsmagnetfeld mit einer magnetischen Hilfsachse, wie gezeigt durch den Vektor 7.
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Die Haupt- und Hilfsmagnetfelder definieren ein sich ergebendes Magnetfeld. Dieses Feld kann durch Vektoraddition gezeigt werden, und der sich ergebende Vektor 8 wird hier „Phasenvektor“ genannt. Der Phasenvektor gibt ein Magnetfeld an, mit einer Stärke, die im Wesentlichen konstant ist, wenn der Motor mit Nennlast betrieben wird, d.h. eine Last, für die der Motor konstruiert ist. In der Darstellung nach 1 zeigen sich die Haupt- und Hilfsmagnetfelder und der Phasenvektor zu verschiedenen Zeitpunkten, und der gezeigte Phasenvektor ist deshalb nicht das Ergebnis einer Vektoraddition der gezeigten Haupt- und Hilfsmagnetfeldvektoren. Der Phasenvektor 8 wird bei einer Vektoraddition von Haupt- und Hilfsmagnetfeldvektoren zu einem bestimmten Zeitpunkt gefunden.
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In der gezeigten Ausführung sind die Nuten peripher um die Öffnung 9 herum angeordnet. Der Rotor wird in der Öffnung angeordnet und bildet damit einen inneren Rotor. Die Erfindung kann auch für externe Außenrotorkonstruktionen verwendet werden, bei denen die Zähne und damit auch die Nuten radial nach außen gerichtet sind in Richtung eines Rotors, der um den Stator herum dreht.
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2 zeigt das Ergebnis, wenn ein Motor der beschriebenen Art mit einer höheren Last als der Nennlast betrieben wird. In diesem Fall ändert sich die Länge des Phasenvektors während das Feld dreht, und das Ergebnis wird mit einer Ellipsenform gezeigt, entlang welcher sich die Spitze des Phasenvektors bewegt. Diese Situation ist unerwünscht.
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3 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu einer Drehachse in einem Stator nach der Erfindung. In diesem Stator ist die Zahnbreite derart variiert worden, dass die Zähne, die an der Hauptwicklung, d.h. an der magnetischen Hilfsachse, angeordnet sind, breiter sind als die Zähne, die an der Hilfswicklung, d.h. an der magnetischen Hauptachse, angeordnet sind. In 3 haben die zwei breitesten Zähne das Bezugszeichen 10 und die zwei schmalsten Zähne haben das Bezugszeichen 11.
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Die sich ergebende höhere magnetische Leitfähigkeit an der magnetischen Hilfsachse ermöglicht einen verbesserten Betrieb des Motors bei einer nicht idealen Lastsituation, d.h. wenn die Last von der Nennlast abweicht.
